“噪聲問題！”——這是每位電路板設計師都會聽到的四個字。為了解決噪聲問題，往往要花費數小時的時間進行實驗室測試，以便揪出元兇，但最終卻發現，噪聲是由開關電源的布局不當而引起的。解決此類問題可能需要設計新的布局，導致產品延期和開發成本增加。
本文將提供有關印刷電路板(PCB)布局布線的指南，以幫助設計師避免此類噪聲問題。作為例子的開關調節器布局采用雙通道同步開關控制器 ADP1850，第一步是確定調節器的電流路徑。然后，電流路徑決定了器件在該低噪聲布局布線設計中的位置。
PCB布局布線指南
第一步：確定電流路徑
在開關轉換器設計中，高電流路徑和低電流路徑彼此非常靠近。交流(AC)路徑攜帶有尖峰和噪聲，高直流(DC)路徑會產生相當大的壓降，低電流路徑往往對噪聲很敏感。適當PCB布局布線的關鍵在于確定關鍵路徑，然后安排器件，并提供足夠的銅面積以免高電流破壞低電流。性能不佳的表現是接地反彈和噪聲注入IC及系統的其余部分。
圖1所示為一個同步降壓調節器設計，它包括一個開關控制器和以下外部電源器件：高端開關、低端開關、電感、輸入電容、輸出電容和旁路電容。圖1中的箭頭表示高開關電流流向。必須小心放置這些電源器件，避免產生不良的寄生電容和電感，導致過大噪聲、過沖、響鈴振蕩和接地反彈。
圖1. 典型開關調節器(顯示交流和直流電流路徑)
諸如DH、DL、BST和SW之類的開關電流路徑離開控制器后需妥善安排，避免產生過大寄生電感。這些線路承載的高δI/δt交流開關脈沖電流可能達到3 A以上并持續數納秒。高電流環路必須很小，以盡可能降低輸出響鈴振蕩，并且避免拾取額外的噪聲。
低值、低幅度信號路徑，如補償和反饋器件等，對噪聲很敏感。應讓這些路徑遠離開關節點和電源器件，以免注入干擾噪聲。
第二步：布局物理規劃
PCB物理規劃(floor plan)非常重要，必須使電流環路面積最小，并且合理安排電源器件，使得電流順暢流動，避免尖角和窄小的路徑。這將有助于減小寄生電容和電感，從而消除接地反彈。
圖2所示為采用開關控制器ADP1850的雙路輸出降壓轉換器的PCB布局。請注意，電源器件的布局將電流環路面積和寄生電感降至最小。虛線表示高電流路徑。同步和異步控制器均可以使用這一物理規劃技術。在異步控制器設計中，肖特基二極管取代低端開關。
圖2. 采用ADP1850控制器的雙路輸出降壓轉換器的PCB布局
第三步：電源器件——MOSFET和電容(輸入、旁路和輸出)
頂部和底部電源開關處的電流波形是一個具有非常高δI/δt的脈沖。因此，連接各開關的路徑應盡可能短，以盡量降低控制器拾取的噪聲和電感環路傳輸的噪聲。在PCB一側上使用一對DPAK或SO-8封裝的FET時，最好沿相反方向旋轉這兩個FET，使得開關節點位于該對FET的一側，并利用合適的陶瓷旁路電容將高端漏電流旁路到低端源。務必將旁路電容盡可能靠近MOSFET放置(參見圖2)，以盡量減小穿過FET和電容的環路周圍的電感。
輸入旁路電容和輸入大電容的放置對于控制接地反彈至關重要。輸出濾波器電容的負端連接應盡可能靠近低端 MOSFET的源，這有助于減小引起接地反彈的環路電感。圖2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路電容，這些電容的推薦值范圍是1 μF至22 μF。對于高電流應用，應額外并聯一個較大值的濾波器電容，如圖2的CIN所示。
散熱考慮和接地層
在重載條件下，功率MOSFET、電感和大電容的等效串聯電阻(ESR)會產生大量的熱。為了有效散熱，圖2的示例在這些電源器件下面放置了大面積的銅。
多層PCB的散熱效果好于2層PCB。為了提高散熱和導電性能，應在標準1盎司銅層上使用2盎司厚度的銅。多個 PGND層通過過孔連在一起也會有幫助。圖3顯示一個4層 PCB設計的頂層、第三層和第四層上均分布有PGND層。
圖3. 截面圖：連接PGND層以改善散熱
這種多接地層方法能夠隔離對噪聲敏感的信號。如圖2所 示，補償器件、軟啟動電容、偏置輸入旁路電容和輸出反饋分壓器電阻的負端全都連接到AGND層。請勿直接將任何高電流或高δI/δt路徑連接到隔離AGND層。AGND是一個安靜的接地層，其中沒有大電流流過。
所有電源器件(如低端開關、旁路電容、輸入和輸出電容等)的負端連接到PGND層，該層承載高電流。
GND層內的壓降可能相當大，以至于影響輸出精度。通過一條寬走線將AGND層連接到輸出電容的負端(參見圖4)，可以顯著改善輸出精度和負載調節。
圖4. AGND層到PGND層的連接
AGND層一路擴展到輸出電容，AGND層和PGND層在輸出電容的負端連接到過孔。
圖2顯示了另一種連接AGND和PGND層的技術，AGND層通過輸出大電容負端附近的過孔連接到PGND層。圖3顯示了PCB上某個位置的截面，AGND層和PGND層通過輸出大電容負端附近的過孔相連。
電流檢測路徑
為了避免干擾噪聲引起精度下降，電流模式開關調節器的電流檢測路徑布局必須妥當。雙通道應用尤其要更加重視，消除任何通道間串擾。
雙通道降壓控制器ADP1850將低端MOSFET的導通電阻RDS(ON)用作控制環路架構的一部分。此架構在SWx與 PGNDx引腳之間檢測流經低端MOSFET的電流。一個通道中的地電流噪聲可能會耦合到相鄰通道中。因此，務必使 SWx和PGNDx走線盡可能短，并將其放在靠近MOSFET的地方，以便精確檢測電流。到SWx和PGNDx節點的連接務必采用開爾文檢測技術，如圖2和圖5所示。注意，相應的 PGNDx走線連接到低端MOSFET的源。不要隨意將PGND 層連接到PGNDx引腳。
圖5. 兩個通道的接地技術
相比之下，對于ADP1829等雙通道電壓模式控制器，PGND1和PGND2引腳則是直接通過過孔連接到PGND層。
反饋和限流檢測路徑
反饋(FB)和限流(ILIM)引腳是低信號電平輸入，因此，它們對容性和感性噪聲干擾敏感。FB和ILIM走線應避免靠近高δI/δt走線。注意不要讓走線形成環路，導致不良電感增加。在ILIM和PGND引腳之間增加一個小MLCC去耦電容 (如22 pF)，有助于對噪聲進行進一步濾波。
開關節點
在開關調節器電路中，開關(SW)節點是噪聲最高的地方，因為它承載著很大的交流和直流電壓/電流。此SW節點需要較大面積的銅來盡可能降低阻性壓降。將MOSFET和電感彼此靠近放在銅層上，可以使串聯電阻和電感最小。
對電磁干擾、開關節點噪聲和響鈴振蕩更敏感的應用可以使用一個小緩沖器。緩沖器由電阻和電容串聯而成(參見圖 6中的RSNUB和CSNUB)，放在SW節點與PGND層之間，可以降 低SW節點上的響鈴振蕩和電磁干擾。注意，增加緩沖器可能會使整體效率略微下降0.2%到0.4%。
圖6. 緩沖器和柵極電阻電阻
柵極驅動器路徑
柵極驅動走線(DH和DL)也要處理高δI/δt，往往會產生響鈴振蕩和過沖。這些走線應盡可能短。最好直接布線，避免使用饋通過孔。如果必須使用過孔，則每條走線應使用兩個過孔，以降低峰值電流密度和寄生電感。
在DH或DL引腳上串聯一個小電阻(約2 Ω至4 Ω)可以減慢柵極驅動，從而也能降低柵極噪聲和過沖。另外，BST與SW 引腳之間也可以連接一個電阻(參見圖6)。在布局期間用0 Ω柵極電阻保留空間，可以提高日后進行評估的靈活性。增加的柵極電阻會延長柵極電荷上升和下降時間，導致 MOSFET的開關功率損耗提高。
總結
了解電流路徑、其敏感性以及適當的器件放置，是消除 PCB布局設計噪聲問題的關鍵。ADI公司的所有電源器件評估板都采用上述布局布線指導原則來實現最佳性能。評估板文件UG-204和UG-205詳細說明了ADP1850相關的布局布線情況。
注意，所有開關電源都具有相同的元件和相似的電流路徑敏感性。因此，以針對電流模式降壓調節器的 ADP1850為 例說明的指導原則同樣適用于電壓模式和/或升壓開關調節器的布局布線。 |
